人工智能设计的血清素传感器可以帮助科学家研究睡眠和心理健康

主要在小鼠身上进行的临床前实验表明，该传感器可以检测睡眠、恐惧和社交互动期间大脑血清素水平的细微实时变化，以及测试新的精神活性药物的有效性。这项研究部分是由美国国立卫生研究院资助的通过推进创新神经技术(Brain)计划进行大脑研究旨在彻底改变我们对健康和疾病条件下大脑的理解。

这项研究是由加州大学戴维斯医学院首席研究员林田博士实验室的研究人员领导的。目前的方法只能检测血清素信号的广泛变化。在这项研究中，研究人员将一种捕获营养的金星捕蝇器形状的细菌蛋白质转化为一种高度敏感的传感器，当它捕获血清素时，它会发出荧光。

此前，弗吉尼亚州阿什本霍华德休斯医学研究所珍妮利亚研究校区洛伦L. Looger博士实验室的科学家们使用传统的基因工程技术将细菌蛋白质转化为神经递质乙酰胆碱的传感器。这种名为OpuBC的蛋白质通常会阻碍与乙酰胆碱形状相似的营养物质胆碱。在这项研究中，Tian实验室与Looger博士的团队以及加利福尼亚州帕萨迪纳市加州理工学院Viviana Gradinaru博士的实验室合作，表明他们需要人工智能的额外帮助来完全重新设计OpuBC作为血清素收集器。

研究人员使用机器学习算法帮助计算机“想出”25万个新设计。经过三轮测试，科学家们确定了一个。最初的实验表明，新的传感器可靠地检测到大脑中不同水平的血清素，同时对其他神经递质或类似形状的药物几乎没有反应。在小鼠大脑切片上的实验表明，传感器对突触通信点神经元之间发送的血清素信号做出反应。与此同时，在培养皿中对细胞进行的实验表明，该传感器可以有效地监测由可卡因、摇头丸(MDMA)和几种常用的抗抑郁药等药物引起的信号变化。

最后，在小鼠身上进行的实验表明，该传感器可以帮助科学家在更自然的条件下研究血清素的神经传递。例如，研究人员发现，当老鼠清醒时，血清素水平会上升，而当老鼠睡着时，血清素水平会下降。他们还发现，当小鼠最终进入更深的rem睡眠状态时，血压下降幅度更大。传统的血清素监测方法会忽略这些变化。此外，当老鼠被铃声警告足部电击时，科学家发现在两个独立的大脑恐惧回路中血清素水平上升不同。在一个回路(内侧前额叶皮层)中，铃声触发血清素水平快速上升，而在另一个回路(基底外侧杏仁核)中，信号发射器缓慢上升至略低的水平。本着BRAIN计划的精神，研究人员计划让其他科学家可以随时使用传感器。他们希望这能帮助研究人员更好地理解血清素在我们的日常生活和许多精神疾病中所起的关键作用。